DE102014012479A1 - Mobile Energiequellen zur Pufferung von Netzenergie und zur Energiebereitstellung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein mobiles Energiesystem (MES) beschrieben, das elektrische Energie durch Anschluss an das Hausnetz aufnehmen, zwischenspeichern und rückspeichern kann. Weiterhin kann die Energie an Standort der Aufladung, an anderen Standorten oder während der Fahrt abgegeben werden. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, stationäre oder mobile Schnellladestationen auch an Standorten zu betreiben, die nur geringe Leistungsabgabe ermöglichen. Durch die Kopplung der Anlagen über eine Cloud können Funktionen eines virtuellen Kraftwerks ausgeübt werden.

Description

  • Erfindung und Anwendungen
  • Die Bereitstellung mobiler elektrischer Energie während der Fahrt ist aus einer Reihe von Patenten bekannt wie zum Beispiel DE-10 2008 006 332 , DE-10 2012 011 960 oder als Systemlösung DE 10 2012 015 099 . Diese Systeme sind jedoch nicht geeignet, am Standort selbst erzeugte Energie aufzunehmen und diese für Anwendungen am Standort wieder bereitzustellen.
  • Die hier beschriebene Erfindung basiert auf einem Mobiles Energiesystem (MES), das fahrbar ist und über eine Deichsel an der Standardanhängekupplung von Fahrzeugen angehängt und so problemlos transportiert werden kann.
  • Das MES ist in Zeichnung 1 (Hochstrom) und Zeichnung 2 (Steuerung) dargestellt. Es besteht aus einer Batterie, eine DC-DC-Wandler (DC = Gleichstrom), einem AC-DC-Wandler (AC = Wechselstrom), Schützen oder leistungselektronischen Schaltern zu An- und Abschalten der Hochstromverbindungen sowie Steckverbindungen für den Hochstromeingang und -ausgang. Gesteuert wird es über ein Steuergerätenetzwerk mit einer ECU1 (= Electronic Control Unit 1) als Hauptsteuergerät. Die Daten werden über ein Gateway bereitgestellt. Das MES besteht somit aus den notwendigen leistungselektronischen Komponenten, um sie sowohl an das Stromnetz als auch an Elektrofahrzeuge (BEV = Battery Electric Vehicle) beliebiger Bauart anschließen zu können.
  • Zeichnung 3 zeigt das erfindungsgemäße Gesamtsystem. Es trägt den Namen Nomad und besteht aus:
    • • dem oben beschriebenen Mobiles Energiesystem (MES)
    • • dem Nomad Energie-Manager (NEM)
    • • und der sicheren Cloud-Plattform (SCP).
  • Das erfindungsgemäße System nutzt die trailerbasierte Batterie als Baustein eines virtuellen Kraftwerkes, das Energie aus dem Netz oder aus Energieerzeugern wie Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerken aufnehmen und speichern kann.
  • Die Batterie kann über eine Steckdose an das Hausnetz stromseitig angeschlossen werden. Die datenseitige Kopplung erfolgt nun überraschenderweise nicht direkt sondern indirekt und mehrstufig, und zwar vom NEM über die SCP zum MES und vice versa. Dies ermöglicht ein homogene und konsolidierte Datenerfassung und Steuerung beider Komponenten (MES und Hausnetzt) sowohl für den Fall, dass das MES an die Hausinstallation angebunden ist als auch für den Fall, dass das MES unterwegs ist (als Range-Extender an einem Elektrofahrzeug oder als Energiequelle für off-grid-Anwendungen). Nur so kann eine integrierte Datengenerierung aller Parameter in Echtzeit auf der Cloudplattform gelingen.
  • Die Energie der Trailerbatterien wird bei Bedarf wieder abgegeben, entweder am Standort durch Nutzung im Hausnetz des Erzeugers oder durch Einspeisung über das Hausnetz in das öffentliche Netz. Oder es kann die gespeicherte Energie zu beliebigen anderen Standorten gefahren werden, um dort Energie für off-grid-Anwendungen bereitzustellen, z. B. für Festivals oder Baustellen. Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung ist das Nachladen von Elektrofahrzeugen, entweder im Falle wegen leerer Traktionsbatterie liegengebliebener Elektrofahrzeuge am Straßenrand, am Standort der Aufladung selbst oder an einem anderen beliebigen Ort, an dem Bedarf für eine langsame oder eine Schnellladung von Elektrofahrzeugen besteht.
  • Weiterhin eignet sich das System, um off-grid erzeugte Energie aufzunehmen, um sie am Standort selbst oder nach Transport am Ort des Bedarfes abzugeben, z. B. zur Schnellladung von Elektrofahrzeugen, fahrbaren Maschinen oder Sonderfahrzeugen. Weiterhin können auf diese Weise auch Off-Grid-Anlagen durch Straßentransport der elektrischen Energie an das Netz oder andere Off-Grid-Strukturen angebunden werden.
  • Durch diese Anwendungen können beispielsweise große Mengen mittäglicher Überschussenergie aus der PV-Produktion vom Netz genommen und im Straßenverkehr und anderen Off-Grid-Anwendungen verbraucht werden. Dadurch wird der weitere Ausbau regenerativer Stromerzeugung erleichtert und dieser ein ganz neuer Markt eröffnet.
  • Die MES werden sowohl im Rahmen von Verleihsystemen als auch in Eigentümerschaft von Haus- und Elektrofahrzeugbesitzern eingesetzt.
  • Anbindung des MES an die Secure Cloud Plattform
  • Zentrales Element der Kommunikationsinfrastruktur ist die Sichere Cloud-Plattform (SCP). Hierbei handelt es sich um eine sichere Infrastruktur virtualisierter Server, die über eine Backbone-Verschlüsselung, z. B. SSL miteinander verbunden sind. An die SCP werden die MES über Mobilfunk (G4, LTE) angebunden, vorzugsweise über ein eigenes APN-Netzwerk (APN = Access Point Name).
  • In gleicher Weise werden die Nomad Energie-Manager (NEM) angebunden, die ein intelligentes Management der Energieerzeugung z. B. Photovoltaik-Dachanlage (PV) oder Blockheizkraftwerk und des Energieverbrauchs (Zwischenspeicherung in der MES, Steuerung elektrischer Verbraucher) im Smart Home ermöglichen.
  • Die Secure Cloud beinhaltet die Datenhaltung unter Beachtung von Datenschutzaspekten sowie zentral oder dezentral laufende Softwarefunktionalitäten zur Steuerung des Gesamtsystems, insbesondere Vehicle Tracking, Flotten Management, CRM (Customer Relationship Manager), Service und Wartung, Ticketing. Über ein Gateway (Smart Grid Gateway) werden Energieversorger und Netzbetreiber zentral angebunden, die dadurch die Energiebereitstellung aus dem Virtual Power Plant abrufen können.
  • Nutzer haben über eine Webapplikation oder eine Smartphone App in Echtzeit Zugriff auf ihre aktuellen Daten. Diese Funktionalität ermöglicht auf einfache Weise die Bereitstellung eines User-Interfaces im Cockpit des Elektrofahrzeuges bei einer Fernfahrt mit angedocktem MES. Dazu wird einfach das eigene oder ein zur Verfügung gestelltes Smartphone an die Frontscheibe gepinnt. Um eine volle Funktionalität auch bei fehlender Funkverbindung zu gewährleisten kann eine direkte Back-up-Anbindung an die Nomad Rolling Battery genutzt werden. Diese wird kabelgebunden ins Fahrzeug und dann vorzugsweise über WLAN zum Smartphone geführt.
  • Energiebereitstellung während der Fahrt
  • Zeichnung 4 (Strom) und Zeichnung 5 (Steuerung und Daten) zeigen die Anbindung des MES an ein Elektrofahrzeug. Sämtliche Komponenten des MES wie das intelligent BMS der Batterie, der DC/DC Konverter, der bidirektionale Inverter und die Schütze sind als Steuergeräte-Netzwerk auf einem privaten CAN-Bus (Controller Area Network) mit dem Hauptsteuergerät ECU1 verbunden. Das Hauptsteuergerät wird vorzugsweise über Ethernet an das Gateway angebunden, welches wiederum als APN mit der Secure Cloud Plattform verbunden ist.
  • Sämtliche Komponenten authentifizieren sich gegenüber der ECU. Die ECU authentifiziert sich gegenüber dem Gateway vorzugsweise über eine Authentifizierungssoftware und Schlüsselverwaltung, die sich auf dem Chip der SIM-Karte (Subscriber Identity Module, ein Secure Element des Gateways befindet und somit nicht kompromittiert werden kann. Auf dem Gateway läuft vorzugsweise ein Webserver, der die M2M-Daten (Maschine zu Maschine) in Echtzeit der Secure Cloud Plattform zur Verfügung stellt.
  • Off-Grid-Stromversorgung
  • Zeichnung 6 zeigt die Nomad Rolling Battery zur off-Grid-Stromversorgung. Auf der linken Seite ist die Schnellladevorrichtung zu sehen. Mit einem Fast Charger oder einem Supercharger kann die 85 kWh-Batterie in kurzer Zeit am Netz geladen werden. Eine weitere Lademöglichkeit besteht mit AC power, sowohl 3-phasig als auch 1-phasig. Dabei wird der Wechselstrom im bidirektionalen Inverter in Gleichstrom umgewandelt. Aufgrund der bidirektionalen Wirkungsweise werden diese Anschlüsse auch als Outlets zur Bereitstellung von Wechselstrom verwendet. Über einen DC/DC-Wandler kann weiterhin 400 V DC zur Schnellladung bereitgestellt werden. Über diesen Anschluss ist auch die Erzeugung von Drehstrom über einen verbraucherseitigen Inverter möglich. Mit der beschriebenen Architektur kann das System somit sowohl mittels Wechselstrom als auch mittels Gleichstrom schnell geladen werden. Es stellt in einer bevorzugten Variante bis zu 85 kWh als Wechsel- oder Gleichstrom zur Verfügung und ermöglicht eine DC-Schnellladung. Dies ist insbesondere für den Anwendungsfall des Wiederaufladens liegengebliebener Elektrofahrzeuge im Rahmen der Roadside-Assistenz oder in der Nutzung als Schnellladestation von Bedeutung.
  • Range-Extender Betrieb
  • In ähnlicher Weise kann das System auch verwendet werden, um Elektrofahrzeuge während der Fahrt mit Energie zu versorgen oder deren Batterie nachzuladen. Dadurch lassen sich bis zu 500 km zusätzlicher Reichweite erzeugen, beim Tausch der MES sogar unbegrenzte Reichweiten.
  • Zeichnung 4 zeigt die Auslegung dieser Systemvariante. Der On-Board-Inverter kann entfallen, wenn das System in Zusammenarbeit mit AC-Schnellladestationen betrieben werden soll. Der DC/DC-Wandler führt den Strom über Schütze und ein Kabel zur Elektrofahrzeug.
  • Das Elektrofahrzeug wurde durch ein Installations-Kit so umgerüstet, dass das Stromkabel des MES über eine gesicherte Steckverbindung zugeführt werden kann. Über einen weiteren Satz von Schützen wird die Energie des MES auf den DC-Hochstrombus des Elektrofahrzeugs eingespeist. Durch den im Installations-Kit enthaltene ECU2 werden auf dem Public-Bus Betriebsdaten und die VIN-Nummer des Elektrofahrzeuges ausgelesen.
  • Das System kann über die vom DC/DC-Wandler frei wählbare Spannungslage nun an das jeweilige Elektrofahrzeug angepasst werden. Im Betriebsmodus wird die Spannungslage des von der Nomad Rolling Battery zugeführten Stromes so eingestellt, dass sie etwas höher liegt als die der Traktionsbatterie des Elektrofahrzeuges. Dadurch wird die vom Inverter abgerufene Energie hauptsächlich aus der Nomad Rolling Battery bereitgestellt. Über die Zeit wird weiterhin die Traktionsbatterie nachgeladen, sodass nach Ende der Fahrt mit der Nomad Rolling Battery ein höherer Ladezustand der Fahrzeugbatterie vorliegen wird. Die Rekuperationsenergie wird in die Fahrzeugbatterie zurückgespeist.
  • Installations-Kit
  • Um das MES mit einem Elektrofahrzeug verbinden zu können, wird das Elektrofahrzeug mit einem Installation Kit ausgestattet, der aus folgenden Komponenten besteht:
    • • Anhängekupplung: Da viele Elektrofahrzeuge (noch) nicht für den Betrieb mit einer Anhängekupplung ausgestattet sind, wird für jeder zu integrierende Modell eine Aufhängung eigens konstruiert, über Dauerbelastungstest getestet und bauartzugelassen. Die Anhängekupplung wird vorzugsweise als abnehmbares Modell gestaltet.
    • • Kombinationssteckdose: für Hochstrom (vorzugsweise 250 A, 400 V DC), Bordelektrik und Daten (CAN-Bus). Die Steckdose wird mit dem Stecker der Nomad Rolling Batterie verbunden und danach elektrisch verriegelt. Die Zuschaltung des Stromes kann erst nach Verriegelung erfolgen. Das System ist gegen Staub, Korrosion und Spritzwasser geschützt.
    • • Leistungsschalter wie Schütze oder leistungselektronische Schalter (MOSFETs) und Zweiadriges Hochstromkabel, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 50 mm2 je Ader, zur Anbindung an den DC-Hochstrombus des Elektrofahrzeugs.
    • • ECU2 zur Steuerung der Funktionalitäten des Installations-Kits, zur Anbindung an den Public-Bus des Elektrofahrzeuges zur Auslegung von Fahrzeugdaten und der VIN-Nummer (Vehicle Identification Number), Webserver und WLAN.
  • Stationärer Modus und Kopplung mit Netz
  • Diese Variante beinhaltet wiederum den Bidirektionalen Inverter. Durch Synchronisation der Phasenlage mit dem AC-Bus der Hausinstallation kann das MES mit dem Haus-Netz verbunden werden. Der AC-Anschluss dient dabei sowohl zur Aufladung des MES als auch zur Rückspeisung ins Hausnetz.
  • Zeichnung 7 zeigt die erfindungsgemäße Architektur des Systems. Das System eignet sich insbesondere zum Management der über PV-Anlage (Aufdachanlage) oder ein Blockheizkraftwerk (BHKW) erzeugten Energie. Die PV-Anlage ist dabei wie üblich über einen Inverter an den AC-Bus der Hausinstallation angebunden. Von diesem zweigen die einzelnen Verbraucher ab. Die Hausinstallation ist über den Zähler (Smart Meter) mit dem öffentlichen Netz (Smart Grid) verbunden.
  • Zentrale Intelligenz zur Steuerung des Gesamtsystems ist der Nomad Energy Manager (NEM). Der NEM besitzt eine intelligente Steuerung, die Daten des Smart Meters, des Inverters der PV-Anlage und von externen Quellen (Wettervorhersage, Virtual Power Plant Betreiber) verarbeitet. Mit dem MES steht er über die Secure Cloud Platform in Verbindung oder bei Fehler einer Verbindung in einer Direktverbindung mit deren Gateway.
  • Der NEM kann somit dem MES genau signalisieren, welches Verhalten es einnehmen soll:
    • • Speicherung des erzeugten PV-Stromes (beispielsweise in Angebotsspitzen am Tag)
    • • Rückspeisung zur Versorgung der Verbraucher des Hauses (insbesondere morgens, abends und nachts)
    • • Rückspeisung ins öffentliche Netz im Rahmen des Virtuellen Kraftwerks.
  • Der NEM ist weiterhin mit einer Fernsteuerungsmöglichkeit für unterschiedliche Verbraucher aus gestattet. Auf diese Weise können Verbraucher bedarfsorientiert zugeschaltet oder vom Netz genommen werden. Alle Einstellungen können remote über die Smartphone App vorgenommen werden. Das System kann sich darüber hinaus selbstlernend über die Zeit optimieren.
  • Die Batterie ist im Gegensatz zu bekannten und handelsübliche Puffersystemen in der Lage, nicht nur den Tagesbedarf zu shiften sondern sogar den gesamten Wochenbedarf des Haushalts zu managen. Um dies zu gewährleisten, können die gesamten Angebotsspitzen an sonnigen Tagen gespeichert werden, sodass es zu keiner unerwünschten Einspeisung kommen wird. Die gespeicherte Energie steht darüber hinaus zum Verbrauch im Elektrofahrzeug zur Verfügung. Aus Sicht des Energieversorgers entsteht somit ein hochattraktives verteiltes System zur Entnahme von überschüssigen Angebotsspitzen und deren Verbrauch auf der Straße.
  • Für den Fachmann überraschend kann das MES auch als mobile Lade- oder Schnellladestation für Elektrofahrzeuge verwendet werden (siehe Zeichnung 8). Hierbei erfolgt die Aufladung über ein- oder dreiphasigen Wechselstrom oder über Gleichstrom, vorzugsweise 400 V DC). Das MES wiederum bietet die Energie wiederum als 1-phasigen oder 3-phasigen Wechselstrom oder als Gleichstrom an, entsprechend als Mode 1, Mode 2, CCS(Combined Charging System)- oder CHAdeMO-Ladesystem.
  • Besonderer Vorteil dieser Auslegung ist es, dass die Aufladung des MES netzschonend langsam erfolgen kann, während die Aufladung des Elektrofahrzeuges nach einem Schnelllademodus erfolgen kann. Dadurch wird die Schnellladung an Standorten ermöglicht, an denen keine hohe Absicherung möglich und dadurch keine hohe Ladeleistung verfügbar ist. Weiterhin bietet das System die Möglichkeit, das MES zum Ort des Bedarfes zu bewegen, z. B. zu einem wegen leerer Traktionsbatterie liegen gebliebenen Elektrofahrzeug oder zu anderswo parkenden Elektrofahrzeugen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102012011960 [0001]
    • DE 102012015099 [0001]

Claims (10)

  1. Mobiles trailerbasiertes Energiesystem bestehend aus einer Batterie und einem AC/DC-Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass es stromseitig mit dem Netz verbunden werden kann und über ein Energie-Manager (NEM) auf Seiten der Hausinstallation gesteuert wird bezüglich seiner Funktionen Energie speichern, Rückspeisen für Verbraucher im Hausnetz oder Rückspeisen ins öffentliche Netz.
  2. Energiesystem lt. Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie mit einem DC/DC-Wandler verbunden ist, der die Bereitstellung von Gleichstrom beliebiger Spannung ermöglicht.
  3. Energiesystem lt. Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Ladung oder Schnellladung von Fahrzeugen am Netzstandort verwendet wird.
  4. Energiesystem lt. Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Ladung oder Schnellladung von Fahrzeugen am Fahrzeugstandort oder einem beliebigen anderen Standort verwendet wird.
  5. Energiesystem lt. Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es über Funk mit einer Cloud-Plattform verbunden ist, die die Überwachung, Steuerung und Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk ermöglicht.
  6. Energiesystem lt. Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es über Funk mit einer Cloud-Plattform verbunden ist, die die Überwachung, Steuerung und Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk ermöglicht.
  7. Energiesystem lt. Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es off-grid erzeugte Energie aufnimmt und diese während der Fahrt oder an einem anderen Standort zum Verbrauch oder zu Einspeisung bereitstellt.
  8. Energiesystem lt. Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass es aus dem Netz Energie aufnimmt und diese während der Fahrt oder an einem anderen Standort zum Verbrauch oder zu Einspeisung bereitstellt.
  9. Energiesystem lt. Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es off-grid erzeugte Energie aufnimmt und diese während der Fahrt oder an einem anderen Standort zum Verbrauch oder zu Einspeisung bereitstellt.
  10. Energiesystem lt. Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es aus dem Netz Energie aufnimmt und diese während der Fahrt oder an einem anderen Standort zum Verbrauch oder zu Einspeisung bereitstellt.
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